CN110456478B - 3mm焦距超广角鱼眼镜头光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了3mm焦距超广角鱼眼镜头光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑、后透镜组和像面，所述前透镜组自前向后依次设有第一透镜和第二透镜，所述后透镜组自前向后依次设有第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；本发明光学系统仅由6片透镜组成，具有大相对孔径、高分辨率、结构简单紧凑等优点，较好地校正435nm的紫边谱段色差，消除了紫边效应，适应于存在局部强光源下的超广角成像，便于获得清晰度高、强光边界无紫边干扰的图像。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，更具体地说涉及3mm焦距超广角鱼眼镜头光学系统。
背景技术
鱼眼镜头光学系统由于具有接近或超过180°的视场角，可以获得超大范围的景物成像而广泛应用于安防、监控等领域。现有应用于安防、监控等领域的鱼眼镜头光学系统主要基于小像元探测器，采用短焦距的光学系统，在暗场环境下探测能力不足，景物清晰成像度不高。此外，在存在局部亮光源的情况下，光学系统不能很好地校正435nm谱段的色差，将会在景物成像时出现明显的紫边效应，造成图像质量差，无法区分明暗景物的交界。
发明内容
本发明提供一种小型化3mm焦距超广角鱼眼镜头光学系统，采用的透镜数量少，实现了较长焦距的鱼眼镜头光学系统设计，并消除了紫边效应。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
3mm焦距超广角鱼眼镜头光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑、后透镜组和像面，所述前透镜组自前向后依次设有第一透镜和第二透镜，所述后透镜组自前向后依次设有第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；
所述第一透镜、第二透镜和第六透镜均为光焦度为负的弯月形透镜，所述第三透镜为双凸正光焦度厚透镜，所述第四透镜为弯月形正光焦度透镜，所述第五透镜为鼓型正光焦度厚透镜；所述第五透镜和第六透镜组成双胶合透镜组。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第二透镜靠近光阑的光学面为第一光学面，所述第三透镜靠近光阑的光学面为第二光学面，所述光学系统的轴上视场边缘光线在所述第一光学面的高度值为h1，所述光学系统的轴上视场边缘光线在所述第二光学面的高度值为h2，其中h1和h2的比值满足：
072≤h1/h2≤0.79。
作为上述技术方案的进一步改进，所述前透镜组的组合光焦度为所述光学系统的光焦度为/>其中/>和/>的比值满足：
作为上述技术方案的进一步改进，所述后透镜组的组合光焦度为所述光学系统的光焦度为/>其中/>和/>的比值满足：
作为上述技术方案的进一步改进，所述第二透镜的弯曲方向朝向所述光阑，所述第二透镜的光焦度为所述光学系统的光焦度为/>其中所述/>和/>的比值满足：
作为上述技术方案的进一步改进，所述第三透镜的光焦度为所述光学系统的光焦度为/>其中，所述/>和/>的比值满足：
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜的光焦度为所述第四透镜的光焦度为/>所述光学系统的光焦度为/>其中/>和/>满足：
作为上述技术方案的进一步改进，所述第五透镜和第六透镜的组合光焦度为所述光学系统的光焦度为/>所述/>和/>的比值满足：
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一透镜的材质为冕牌玻璃，所述第二透镜和第六透镜的材质为重火石玻璃，所述第三透镜和第四透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第五透镜为重冕玻璃。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第六透镜与所述像面之间设有滤光片。
本发明的有益效果是：本发明光学系统仅由6片透镜组成，较好的消除了紫边效应，具有大相对孔径、高分辨率、结构简单紧凑等优点，适应于存在局部强光源下的超广角成像，便于获得清晰度高、强光边界无紫边干扰的图像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是实施例中光学系统的光学结构示意图；
图2是实施例中光学系统的光学传递函数曲线；
图3是实施例中光学系统的轴向色差曲线；
图4是实施例中光学系统的垂轴色差曲线；
图5是实施例中光学系统的垂轴像差曲线。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参照图1，3mm焦距超广角鱼眼镜头光学系统，包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑900、后透镜组和像面800，所述前透镜组自前向后依次设有第一透镜100和第二透镜200，所述后透镜组自前向后依次设有第三透镜300、第四透镜400、第五透镜500和第六透镜600；
所述第一透镜100、第二透镜200和第六透镜600均为光焦度为负的弯月形透镜，所述第三透镜300为双凸正光焦度厚透镜，所述第四透镜400为弯月形正光焦度透镜，所述第五透镜500为鼓型正光焦度厚透镜；所述第五透镜500和第六透镜600组成双胶合透镜组。
本实施例光学系统采用反远距的光学结构型式，为降低超大视场带来的视场像差如像散和畸变，前透镜组采用了两个负光焦度的透镜，第一透镜100采用负光焦度弯月形透镜形式，获得较大的主光线倍率倒数值，从而降低后透镜组像差校正的压力，第二透镜200主要校正像散和场曲。
本发明光学系统结构设计简单，透镜数量少，大多数透镜形状均弯向光阑900，公差较为宽松，易于制造与装调，有利于批量化生产。
进一步作为优选的实施方式，所述第二透镜200靠近光阑900的光学面为第一光学面，所述第三透镜300靠近光阑900的光学面为第二光学面，所述光学系统的轴上视场边缘光线在所述第一光学面的高度值为h1，所述光学系统的轴上视场边缘光线在所述第二光学面的高度值为h2，其中h1和h2的比值满足：
072≤h1/h2≤0.79。
进一步作为优选的实施方式，所述前透镜组的组合光焦度为所述光学系统的光焦度为/>其中/>和/>的比值满足：
进一步作为优选的实施方式，所述后透镜组的组合光焦度为所述光学系统的光焦度为/>其中/>和/>的比值满足：
进一步作为优选的实施方式，所述第二透镜200的弯曲方向朝向所述光阑900，所述第二透镜200的光焦度为所述光学系统的光焦度为/>其中所述/>和/>的比值满足：
进一步作为优选的实施方式，所述第三透镜300的光焦度为所述光学系统的光焦度为/>其中，所述/>和/>的比值满足：
进一步作为优选的实施方式，所述第一透镜100的光焦度为所述第四透镜400的光焦度为/>所述光学系统的光焦度为/>其中/>和/>满足：
进一步作为优选的实施方式，所述第五透镜500和第六透镜600的组合光焦度为所述光学系统的光焦度为/>所述/>和/>的比值满足：
进一步作为优选的实施方式，所述第一透镜100的材质为冕牌玻璃，所述第二透镜200和第六透镜600的材质为重火石玻璃，所述第三透镜300和第四透镜400的材质为重镧火石玻璃，所述第五透镜500为重冕玻璃。
进一步作为优选的实施方式，所述第六透镜600与所述像面800之间设有滤光片700。所述滤光片700是用于实现对特定范围的光谱成像，避免其他波长的光谱进入，影响成像质量。
本发明光学系统的所有透镜均采用球面玻璃透镜，易加工，成本较低。
本发明的主要创新点之一是校正了色差，特别是435nm谱段的紫边效应，为此对后透镜组进行了复杂化的设计，引入双胶合透镜校正了轴向色差和垂轴色差，满足可见光的色差校正要求。
本发明的另一个创新点是为实现尽可能短的长度，进行了创新性的设计与合理的像差校正；当光学系统长度缩短时，在系统指标不变的前提下，由于各透镜的光焦度增加，引起球差、彗差、像散、畸变等各种像差迅速增加，导致光学系统像质下降。本发明为了实现长焦距鱼眼镜头光学系统的紧凑设计，在后透镜组、光阑900附近引入了作为鼓型正光焦度厚透镜的第三透镜300，有效降低了光线经过第三透镜300之后的高度，有利于降低轴外子午球差以及视场高级像散，从而在缩短光学系统尺寸的同时获得高成像质量。
本小型化3mm焦距超广角鱼眼镜头光学系统，具体参数为：
焦距3.0mm；相对孔径D/f为1/2.0；视场角为165°；谱段为435nm～656nm；光学系统总长17.4mm，后工作距离(弯月形透镜B4到像面800的距离)为4.28mm。
在本发明实施例中，如附图2所示，在160lp/mm时0.7视场以内传递函数值平均值优于0.40，边缘视场的传递函数值平均值优于0.2；保证了高分辨率解析像质。
在本发明实施例中，对色差特别是435nm的紫边效应进行较完善的控制，参考图3，从图3轴向色差图可以看出，轴向色差量较小，且435nm的最佳焦点位于486nm和656nm谱段的中间。
参考图4，从图4垂轴色差图可以看出，435nm与656nm两个谱段基本交叠，没有出现435nm远离其它谱段的问题。
更进一步地，参考图5，从图5垂轴像差曲线可以看出，在所有视场位置，435nm和656nm两个谱段始终处于交叠状态，避免了紫边效应。综上，本发明光学系统很好的解决了紫边效应，即使场景中有局部强光源存在，也不会出现紫边杂光干扰。
本发明光学系统焦距达到3mm，相对孔径达到F/2.0，探测能力强，分辨力高，能够满足暗场环境的景物成像；本发明光学系统较完善的校正435nm的紫边谱段色差，消除了紫边效应，适应于存在局部强光源下的超广角成像，便于获得清晰度高、强光边界无紫边干扰的图像。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (4)
1.3mm焦距超广角鱼眼镜头光学系统，其特征在于：包括沿光线入射方向自前向后依次设置的前透镜组、光阑、后透镜组和像面，所述前透镜组自前向后依次设有第一透镜和第二透镜，所述后透镜组自前向后依次设有第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；
所述第一透镜、第二透镜和第六透镜均为光焦度为负的弯月形透镜，所述第三透镜为双凸正光焦度厚透镜，所述第四透镜为弯月形正光焦度透镜，所述第五透镜为鼓型正光焦度厚透镜；所述第五透镜和第六透镜组成双胶合透镜组；
所述前透镜组的组合光焦度为φA，所述光学系统的光焦度为φ，其中φA和φ的比值满足：
-0.97≤φA/φ≤-0.83；
所述后透镜组的组合光焦度为φB，所述光学系统的光焦度为φ，其中φB和φ的比值满足：
0.72≤φB/φ≤0.85；
所述第二透镜的弯曲方向朝向所述光阑，所述第二透镜的光焦度为φA2，所述光学系统的光焦度为φ，其中所述φA2和φ的比值满足：
-0.20≤φA2/φ≤-0.15；
所述第三透镜的光焦度为φB1，所述光学系统的光焦度为φ，其中，所述φB1和φ的比值满足：
0.58≤φB1/φ≤0.65；
所述第一透镜的光焦度为φA1，所述第四透镜的光焦度为φB2，所述光学系统的光焦度为φ，其中φA1、φB2和φ满足：
-0.62≤φA1/φ≤-0.52；
0.22≤φB2/φ≤0.28；
所述第五透镜和第六透镜的组合光焦度为φB34，所述光学系统的光焦度为φ，所述φB34和φ的比值满足：
0.075≤φB34/φ≤0.12。
2.根据权利要求1所述的3mm焦距超广角鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述第二透镜靠近光阑的光学面为第一光学面，所述第三透镜靠近光阑的光学面为第二光学面，所述光学系统的轴上视场边缘光线在所述第一光学面的高度值为h1，所述光学系统的轴上视场边缘光线在所述第二光学面的高度值为h2，其中h1和h2的比值满足：
072≤h1/h2≤0.79。
3.根据权利要求1所述的3mm焦距超广角鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述第一透镜的材质为冕牌玻璃，所述第二透镜和第六透镜的材质为重火石玻璃，所述第三透镜和第四透镜的材质为重镧火石玻璃，所述第五透镜为重冕玻璃。
4.根据权利要求1所述的3mm焦距超广角鱼眼镜头光学系统，其特征在于：所述第六透镜与所述像面之间设有滤光片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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